Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang TÓM TẮT ĐỀ TÀI Trong dây chuyền sản xuất tự động máy điều khiển theo chương trình số (CNC) đóng vai trò quan trọng Sử dụng máy công cụ điều khiển số (CNC) cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ xác gia công hiệu kinh tế, đồng thời rút ngắn chu kì sản xuất Tuy nhiên, máy CNC khả thích nghi với thay đổi thông số trình gia công đặc biệt lực cắt nhằm trì chế độ cắt tối ưu Điều khiển mờ hay gọi điều khiển “thông minh“ ứng dụng ban đầu trí tuệ nhân tạo vào kỹ thuật điều khiển Nhiệm vụ đề tài áp dụng kỹ thuật điều khiển mờ để máy tự động tạo chế độ cắt tối ưu bảo đảm yêu cầu ổn đònh bền vững hệ thống GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy ĐOÀN THẾ THẢO tận tình hướng dẫn làm Luận văn tốt nghiệp chuyên ngành Cơ Điện Tử Thầy giành cho giúp đỡ nhiệt tình suốt thời gian làm Luận văn tốt nghiệp Tôi xin cảm ơn cô Thái Thò Thu Hà đóng góp ý kiến quý báu giúp hoàn thành luận văn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến quý Thầy/Cô môn Cơ Điện Tử dành thời gian quý báu để nhận xét chấm Luận văn tốt nghiệp Cuối xin cảm ơn tất quý Thầy/Cô Khoa Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa TP HCM trang bò cho kiến thức sở giúp đỡ thời gian làm Luận văn tốt nghiệp SVTH: Phạm Vũ Trung Vũ Đức Quang GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang i TỔNG QUAN Trong thời đại khí hóa đại hóa ngày nay, công nghệ gia công cắt gọt vật liệu dùng rộng rãi sản xuất Do đó, tự động sản hóa sản xuất trình gia công vấn đề có ý nghóa to lớn hoàn toàn GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang đáng Sự phát triển công nghệ gia công CNC năm gần tạo bước tiến lớn lónh vực tự động hóa gia công khí Tuy nhiên, gia công cắt gọt vật liệu trình phức tạp Sự bất đònh hình dạng phôi, không đồng cấu tạo vật liệu dẫn đến độ cứng không đồng phôi, hình dạng dao, độ mòn dao, nhiệt rung động… Tất yếu tố làm cho thông số gia công đặc biệt lực cắt thay đổi liên tục bất quy tắc Những năm gần đây, ngành điều khiển kỹ thuật phát triển mạnh mẽ đem lại nhiều thành tựu bất ngờ lónh vực điều khiển, điều khiển mờ Ưu điểm điều mờ so với phương pháp điều khiển kinh điển tổng hợp điều khiển mà không cần biết trước đặc tính đối tượng cách xác Khác hẳn với kỹ thuật điều khiển kinh điển hoàn toàn dựa vào xác tuyệt đối thông tin mà nhiều ứng dụng không cần thiết có được, điều khiển mờ cần xử lý thông tin “không xác” hay không đầy đủ, thông tin mà xác nhận thấy quan hệ chúng với mô tả ngôn ngữ, cho đònh xác Chính khả làm cho điều khiển mờ chụp phương thức xử lý thông tin điều khiển người, giải thành công toán điều khiển phức tạp, toán mà trước không giải đưa lên vò trí xứng đáng kỹ thuật điều khiển hôm tương lai Tìm hiểu ứng dụng điều khiển mờ vào trình gia công khí nội dung đề tài GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang KHÁI NIỆM VỀ MÁY ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ 2.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ (NC) : GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang NC (Number control) dạng tự động hóa lập trình Trong thiết bò xử lí điều khiển phương tiện số, chữ, hay kí hiệu khác Các số, chữ (kí tự) mã hóa xác đònh chương trình thò công việc riêng biệt Khi công việc thay đổi, chương trình thò thay đổi Như thế: Máy NC loại máy công cụ hoạt động tự động phần toàn phần với lệnh thể dạng tín hiệu chữ số mã hóa xác đònh ghi băng từ, đóa từ phim… Hệ thống NC bao gồm thành phần bản: + Chương trình thò (Program of instruction): chi tiết hóa bước, điều khiển trực tiếp thiết bò xử lí Trong hầu hết dạng thông thường, lệnh điều khiển dựa vào vò trí trục so với bàn máy công cụ Các thò tiến bao gồm lựa chọn tốc độ trục chính, dụng cụ cắt chức khác Chương trình mã hóa theo môi trường thích hợp để đưa đến điều khiển + Bộ điều khiển (MCU:Machine Control Units): bao gồm phần cứng điện tử điều khiển Nó đọc biên dòch chương trình thò, biến đổi chúng vào chuyển động khí máy công cụ hay thiết bò xử lí khác + Thiết bò xử lí (Processing equipment): Thành phần thực có ích, thực chuyển động gia công Thiết bò xử lí bao gồm: bàn mang chi tiết, trục chính, động phận điều khiển cần thiết để điều khiển chúng II 2.2 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG CNC CNC tiêu biểu cho kỹ thuật máy tính công nghệ NC (CNC = Computer + NC) Khi máy tính có đặc tính vượt xa so với giai đoạn đầu, có tốc độ tăng không ngừng, có công suất ngày lớn hơn, sử dụng tốn hơn, đáp ứng yêu cầu nhỏ gọn thiết bò điề khiển có tính kinh tế Từ xuất máy tính loại microcomputer hay minicomputer Chúng sử dụng điều khiển cho máy công cụ Dạng gọi Computer Numberical Control(CNC) 2.3 ỨÙNG DỤNG Khi gia công máy công cụ thường, bước gia công chi tiết người thợ thực tay điều khiển lượng chạy dao, chiều sâu cắt,… Khi gia công GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang người thợ phải điều chỉnh tọa độ mũi dao gia công, chiều sâu cần gia công tay mắt thường v.v… Do điều phụ thuộc nhiều vào tay nghề người thợ Ngược lại, máy công cụ điều khiển theo chương trình số trình gia công thực tự động Trước gia công người ta đưa vào hệ thống điều khiển chương trình gia công dạng lệnh điều khiển Điều khiển số hình thức đặc biệt tự động hóa mà cụ thể máy công cụ lập trình để thực loạt hoạt động chế độ xác đònh trước Việc gia công máy tự động có suất cao chất lượng sản phẩm sau gia công đạt cao ĐẶC ĐIỂM CỦA MÁY NC VÀ MÁY CNC GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 3.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG Sự phát triển mạnh mẽ điện tử, tin học buộc nhà khoa học đưa sáng kiến làm để điều khiển máy công cụ thiết bò mang tính chất tự động Xuất phát từ yêu cầu giải việc gia công chi tiết lớn có hình dạng phức tạp, không dùng mẫu chép hình thông thường qua lần gá đặt kẹp chặt chi tiết gia công xong Máy NC CNC kết công trình nghiên cứu việc ứng dụng thành tựu công nghệ điện tử, công nghệ thông tin, chương trình số để điều khiển máy công cụ Các máy NC CNC có khả thay đổi lập chương trình gia công chi tiết nhanh, tính linh hoạt tố độ thay đổi cao Loại máy lập trình tự phù hợp với mô hình sản xuất đơn Các hệ thống CNC phát triển từ hệ thống NC có nối với máy vi tính Các máy CNC ngày hoàn toàn khác với máy CNC ban đầu chỗ chúng kết hợp với xử lí thết kế chuyên dùng Việc phát triển máy CNC có tác động lớn đến kết cấu máy công cụ Những thiết bò điều khiển lớn, cồng kềnh thay mạch điện tử 3.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC Máy NC thực việc cắt kim loại theo nguyên lí cắt với chuyển động tương đối dao phôi + Chuyển động máy tiện, phay, doa ,bào,… chuyển động quay thẳng dao chi tiết + Chuyển động chạy dao chuyển động liên tục hay gián đoạn ,đồng không đồng với chuyển động 3.2.1 Máy công cụ truyền thống Ở loại máy chuyển động chuyển động chạy dao cần điều chỉnh theo trò số yêu cầu Dựa vào vẽ chi tiết qui trình công nghệ, người điều khiển tiến hành đo lường, điều chỉnh, kiểm tra vò trí, kích thước Trong trường hợp ta nhận thấy: + Độ xác kích thước hình học chi tiết gia công phụ thuộc vào chất lượng kiểm tra điều chỉnh GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang + Sự can thiệp người điều khiển phải tiến hành thường xuyên, thông thường cần nhiều thời gian tay nghề cao 3.2.2 Ưu nhược điểm máy NC CNC so với máy công cụ truyền thống Từ đặc điểm nêu ta rút ưu nhược điểm sau: 3.2.2.1 Ưu điểm: + Có thể bỏ qua mẫu để chép hình + Chương trình số thay đổi dễ dàng va nhanh chóng, rút ngắn thời gian phụ thời gian chuẩn bò sản xuất tạo điều kiện thuận lợi cho việc tổ chức tự động hóa sản xuất qui mô nhỏ + Giảm phế phẩm sai sót người, tăng suất lao động + Dễ dàng điểu khiển tập trung toàn trình sản xuất nhà máy + Không phụ thuộc nhiều vào tay nghề công nhân 3.2.2.2 Nhược điểm: + Nhược điểm máy NC CNC hệ thống điều khiển phức tạp, chi phí đầu tư thiết bò cao GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 10 CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA MÁY CNC 4.1 CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN Các phận máy thân máy,sóng trượt, bàn máy, … phải đạt độ xác cao hình dáng hình học, bề mặt lắp ghép, dẫn hướng,… Nhiều trường hợp phải tạo nên dạng thay đổi cách lắp ghép truyền thống để đảm bảo thoát nhiệt tốt 4.2 CÁC BỘ PHẬN TRUYỀN ĐỘNG CHÍNH Các phận truyền động máy NC thực truyền động phân cấp vô cấp Ở truyền động phân cấp, người ta dùng hộp tốc độ có bánh di trượt, hộp tốc độ tự động điện có nhiều cấp tốc độ Ở truyền động vô cấp, người ta dùng cấu khí, khuếch đại từ,… Các cấu dẫn động cần có độ cứng vững cao, chuyển động êm Với yêu cầu nên cấu vít me bi, sóng trượt bi sử dụng rộng rãi máy CNC Hộp tốc độ tự động dùng rộng máy CNC việc khởi động, hãm, đảo chiều, thay đổi tốc độ thực tự động nhờ dùng li hợp điện từ Trục máy CNC cần có độ xác, độ cứng vững, độ chòu mòn cổ trục cao Các cấu tháo lắp dao trục cần đảm bảo độ xác chuyển động hướng trục hướng kính thời gian dài với điều kiện làm việc thay đổi 4.3 CÁC CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG VÀ DẪN ĐỘNG Các cấu thực truyền động cần có độ cứng vững cao, chuyển động êm tốc độ thấp, tăng tốc nhanh Các yêu cầu thực với với cấu có khe hở nhỏ vít me_đai ốc bi, sóng lăn, … GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 102 Những thông số chế độ cắt gồm: • Tốc độ cắt: khoảng dòch chuyển tương đối dao phôi đơn vò thời gian • Chiều sâu cắt: khoảng cách bề mặt gia công bề mặt chưa gia công sau đường chuyển dao • Lượng chạy dao: lượng dòch chuyển dao so với phôi theo hướng chuyển động phụ đơn vò thời gian nh hưởng thông số chế độ cắt đến lực cắt sau: •Ảnh hưởng tốc độ cắt: bỏ qua tượng lẹo dao tốc độ cắt tỉ lệ nghòch với lực cắt tức tăng tốc độ cắt, lực cắt giảm •Ảnh hưởng chiều sâu cắt lượng chạy dao: chiều sâu cắt lượng chạy dao tỉ lệ thuận với lực cắt tức tăng chiều sâu cắt lượng chạy dao, lực cắt tăng Sơ đồ điều khiển mô tả sau: Tín hiệu cài đặt + Sai lệch _ Bộ điều khiển mờ u Đối tượng Tín hiệu Trong : -Sai lệch: khác biệt giá trò lực đo giá trò lực cài đặt ban đầu -u: Tín hiệu điều khiển mờ, gồm thông số chế độ cắt đáp ứng lại sai lệch đầu vào -Đối tượng: trục bàn máy -Tín hiệu ra: giá trò lực cắt -Tín hiệu cài đặt: giá trò lực ban đầu Giá trò lực cắt đo gián tiếp cách đo cường độ dòng điện làm quay dao, lực cắt tăng làm cường độ dòng điện qua động giảm ngược lại Trong mô hình bàn thí nghiệm ta, động làm quay dao động AC có vận tốc quay không đổi tức trình gia công có tốc độ cắt không đổi Hơn GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 103 lần chuyển dao chiều sâu cắt không đổi Như lực cắt thay đổi ta thay đổi lượng chạy dao, cụ thể lực cắt tăng lượng chạy dao giảm, lực cắt giảm tăng lượng chạy dao Do mô hình bàn máy ta cảm biến lực nên giá trò lực cắt mô cách dùng giá trò ngẫu nhiên sau khoảng thời gian đònh khoảng giây Việc tự điều chỉnh lượng chạy dao để phù hợp với thay đổi lực cắt giúp hệ thống làm việc ổn đònh hơn, bền vững đồng thời nâng cao chất lượng suất gia công, làm tăng tuổi thọ dao máy 4.2 ỨNG DỤNG TRONG GIAI ĐOẠN CUỐI CỦA QUÁ TRÌNH GIA CÔNG Việc giảm vận tốc giai đoạn cuối điều cần thiết trình chuyển động yêu cầu độ xác cao Khi gần tới đích không giảm vận tốc giảm vận tốc đột ngột dừng xác, gây sốc cho hệ thống lực quán tính gây ra, điều đặc biệt quan trọng tay máy robot mang vật thể nặng Nhưng giảm vận tốc sớm làm tăng thời gian gia công dẫn đến làm giảm suất gia công Nếu dùng kỹ thuật điều khiển kinh điển để giảm vận tốc quãng đường cuối cần giảm vận tốc không phù hợp với vận tốc di chuyển Nếu tốc độ di chuyển lớn đoạn đường cần giảm vận tốc dài hơn, vận tốc di chuyển chậm đoạn đường cần giảm vận tốc ngắn Hơn nữa, việc dùng kỹ thuật kinh điển giảm nên gây tượng tiến giật gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng gia công hoạt động hệ thống Trong mô hình bàn thí nghiệm ta dùng điều khiển mờ để giảm vận tốc giai đoạn cuối trình gia công Nhờ tính ưu việt điều khiển mờ trình bày giúp việc giảm vận tốc diễn nhẹ nhàng hơn, hệ thống làm việc êm dừng xác 4.3 ỨNG DỤNG TRONG CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG TIÊU BIỂU 4.3.1 Ứng dụng trình tiện GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 104 Đối với máy tiện trục y tạo chiều sâu cắt, trục x tạo lượng chạy dao Trướùc tiên ta cho dao tiến tự theo phương y đến gần chạm phôi, quãng đường ta không cần giảm vận tốc Sau trục y bắt đầu giảm tốc, bề dày lớp phôi cần tách khoảng cách ta giảm dần vận tốc từ nhanh-hơi nhanh-châm -dừng tương ứng với lớp kim loại bóc từ thô–bán tinh–tinh Cứ sau khoảng thời gian cố đònh tiến dao, ta dừng trục y bắt đầu cho trục x di chuyển theo phương chạy dao đến cắt hết lớp phôi lần chuyển dao Tiếp theo trục y lùi nhanh khoảng nhỏ khỏi phôi, trục x lùi nhanh vò trí ban đầu Sau trục y tiến vào phôi với vận tốc nhỏ lần tiến trùc thực việc bóc lớp phôi tiếp theo, trục x di chuyển theo phương chạy dao với vận tốc nhỏ lần tiến trước Cứ trình tiện thực theo trình tự: trục y tiến với vận tốc giảm dần sau khoảng thời gian cố đònh dừng, trục x tiện hết chiều dài đoạn phôi cần cắt với vận tốc giảm dần sau lần chuyển dao, trục y rút khỏi phôi khoảng nhỏ, trục x lùi nhanh vò trí ban đầu, trục y tiếp tục tiến thực việc bóc lớp phôi Quá trình tiện trình gia công tự động giúp nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm, tăng độ xác gia công, tăng ổn đònh bền vững hệ thống, nâng cao tuổi thọ máy dụng cụ 4.3.2 Ứng dụng trình phay Trong trình phay trục z tạo chiều sâu cắt, trục x y tạo lượng chạy dao Trục z trình phay hoạt động tương tự trục y trình tiện nghóa vận tốc giảm dần tương ứng với chiều sâu lớp phôi giảm dần sau lần chuyển dao, trục x y trình phay hoạt động với vận tốc thay đổi phù hợp với thay đổi lực cắt suốt thời gian gia công, cụ thể lực cắt lớn vận tốc trục x, y nhỏ ngược lại Việc ứng dụng điều khiển mờ trinh phay giai đoạn cuối trình phay mang lại tính ưu việt tương tự trình tiện nêu 4.3.3 Ứng dụng trình khoan Cũng tưong tự trình phay, trình khoan lỗ không thông, vận tốc tiến mũi khoan thay đổi để phù hợp với thay đổi lực cắt đồng thời giảm dần vận tốc giai đoạn cuối Điều giúp tránh phá huỷ dao máy, nâng GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 105 cao chất lượng độ xác lỗ khoan, giúp hệ thống làm việc nhẹ nhàng ổn đònh GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 106 TÌM KHIỂN HIỂU ĐIỀU MỜ PHÂN CẤP CHO QUÁ TRÌNH PHAY 5.1 Mở đầu Những khó khăn gia công giai đoạn cuối trình phay tạo động lực giúp nhà nghiên cứu ứng dụng điều khiển theo cấp điều khiển mờ để làm tăng tốc độ cắt (Metal Removal Rate), dẫn đến tăng suất gia công Vai trò quan trọng thực chế độ thiết lập tối ưu điều khiển mờ Để thực mục đích đó, điều khiển mờ phân cấp với hàm bù phi tuyến sử dụng, tìm hệ số tối ưu hàm bù Những kết thực nghiệm cho thấy ứng dụng cải thiện nhiều tính hệ thống như: GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 107 tăng độ xác, giảm thời gian gia công đáp ứng nhẹ nhàng hơn, điều để đạt bề mặt nhẵn sau gia công 5.2 Giới thiệu Lónh vực tự động hóa sản xuất không ngừng lớn mạnh thập niên gần Sự phát triển kỹ thuật đònh vò xác xem tiêu chí để đánh giá phát triển quốc gia Sự phát triển tự động hóa bắt nguồn từ nhu cầu tăng suất trì chất lượng sản phẩm Theo nhà nghiên cứu, việc đầu tư 10% lợi nhuận vào nghiên cứu hệ thống điều khiển đem lại lợi ích gấp hai lần Nói chung, hệ thống điều khiển phát triển để đạt mục đích cuối tăng suất Để thực thành công điều khiển trình điều khiển theo cấp yêu cầu trình thực tế dùng làm mẫu phải dựa hiểu biết sở vật lý trình Những khó khăn việc thự trình do: tính phi tuyến tự nhiên trình mẫu biến thiên tham số mẫu Những thành công đáng ý gần điều khiển mờ thúc đẩy nhà nghiên cứu có nỗ lực xa việc dùng để giải khó khăn nói Quá trình cắt gọt vật liệu sử dụng rộng rãi sản xuất như: tiện, phay, khoan, mài Ở ta tập trung tìm hiểu việc ứng dụng điều khiển phân cấp cho máy phay đứng Theo nhà nghiên cứu để đạt chế độ cắt tối ưu, ta phải xét đến ảnh hưởng tốc độ cắt (MRR), học giả tìm tốc độ cắt tối ưu chứng tỏ có tỉ lệ trực tiếp lực cắt tốc độ cắt Trong ứng dụng điều khiển mờ thực chức quan trọng trì lực cắt tối ưu thỏa mãn yêu cầu ổn đònh bền vững hệ thống Tại phòng thí nghiệm I.A.I(Tây Ban Nha) người ta tiến hành thí nghiệm việc điều khiển mờ theo cấp cho máy phay đứng dùng chuyên gia thực việc điều chỉnh tối ưu tính toán trực tiếp tác động Họ thu thập thông số kỹ thuật để vươn đến tốc độ cắt tối ưu Ở đây, điều khiển mờ theo cấp cho điều chỉnh tối ưu thực cách dùng hàm bù phi tuyến để thay đổi giá trò đầu 5.3 Môi trường thí nghiệm GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 108 Công việc mà phòng thí nghiệm làm nhằm mục đích tìm cách cải thiện trình phay đứng thông qua việc đánh giá đáp ứng điều khiển theo cấp Đây kỹ thuật cao bậc so với máy CNC Phay trình phức tạp chất trình Do hình dạng phôi dụng cụ bất qui tắc nên lực cắt tạo phôi dụng cụ có biến đổi lớn độ lớn lẫn hướng Hiện tượng xảy tiêu biểu dao bắt đầu vào phôi dao rời phôi Ngoài có vấn đề khác khả công nghệ máy, độ cứng dao Máy phay sử dụng cho thí nghiệm ANAK-MATIC-2000-CNC Lực cắt tạo suốt thời gian gia công xem biến đầu vào điều khiển theo cấp, giá trò đo gián tiếp cách đo cường độ dòng điện động làm quay dao nhờ cảm biến dòng TM-CS-1001, cảm biến đo từ đến 75A, thời gian đáp ứng 0,1 ms DC motor 25ms AC motor, cảm biến có sai số tuyến tính tổng cộng 1% Động dùng thí nghiệm động DC Chúng ta thí nghiệm với cảm biến dòng, ưu điểm là: rẻ tiền, bền vững, hoàn toàn không ảnh hưởng đến trình, độc lập với hoạt động máy, lắp đặt đơn giản không yêu cầu phải thay đổi cấu trúc khí mạch điện máy 0.1 Hình 5.1 Sơ đồ vật lý thí nghiệm Tín hiệu tứ cảm biến đọc máy tính 100MH thông qua Card PC Lab biến đổi A/D , tín hiệu lấy xử lý theo nguyên tắc điều khiển phân cấp, sau xử lý máy tính xuất tín hiệu điều khiển đến CNC-PLC thông qua cổng RS-232 Hình 5.1 mô tả môi trường thí nghiệm, đó: Trục động Cảm biến dòng Máy tính điều khiển phân cấp Giao tiếp RS-232 PC PLC-CNC Hệ thống điều khiển CNC mức thấp 5.4 Quan điểm điều khiển phân cấp GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 109 Để tăng tốc độ cắt, hệ thống nên điều khiển tay chế độ cắt bao quanh giá trò cài đặt vào máy CNC-PLC, giá trò gồm: không gian cuối trục, tốc độ quay dao (s), lượng ăn dao (f) Hệ thống điều khiển nên điều khiển lực cắt F tốc độ cắt phụ thuộc nhiều vào nó, lực cắt lớn tốc độ cắt phải cao Như nói trước biến đổi bất quy tắc trình phay, tính phi tuyến độ phức tạp cổ chai kìm hãm phát triển mẫu toán học điển hình cho Một giải pháp cho vấn đề điều khiển mờ điều khiển theo cấp Quan điểm đơn giản xem trình hộp đen mà đầu vào, đầu tín hiệu nhiễu hình 5.2 a f s C N C b END MILLING PROCESS F 0.2 Hình 5.2 hệ thống điều khiển phân cấp Trong trường hợp này, input tốc độ quay trục mang dao (s) lượng ăn dao (f), output lực cắt F, ảnh hưởng nhiễu gồm chiều sâu cắt (a), tín hiệu nhiễu khác khó đo :độ cứng dụng cụ cắt, khả gia công phôi độ cong dao, đại lượng (b) Những tín hiệu nhiễu tất yếu điều khiển phân cấp Lý thuyết chi tiết trình cho phép ngưởi thiết kế quan tâm nhiều đến kỹ thuật mờ, kỹ thuật cao cấp so với CNC, để đạt tố độ cắt tốt Trong CNC dùng để điều khiển lượng ăn dao, tốc độ quay va trục tọa độ điểu khiển máy khái niệm điều khiển theo cấp tự tìm hiểu thực nhiều cách khác kỹ thuật mà làm việc độc lập với hệ thống CNC Đặc điểm tạo cho điều khiển phân cấp phong phú hữu ích việc áp dụng vào vào máy CNC kết hợp nhiều đầu dao gia công GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 110 Kỹ thuật mờ đại diện cho tiêu chuẩn chuyên gia Với điều khiển mờ, đạt kết tốt nhất, nhiên, với kết hợp chuyên gia có kinh nghiệm thực nghiệm kỹ thuật 5.5 Thuật toán mờ áp dụng cho giai đoạn cuối phay Những thí nghiệm gần minh chứng tính ưu việt hẳn kỹ thuật mờ so với kỹ thuật kinh điển việc điều khiển lực cắt giai đoạn cuối phay Không nghi ngờ nữa, so với kỹ thuật kinh điển, kỹ thuật mờ giúp giảm thời gian gia công Hơn nữa, đáp ứng nhẹ nhàng so với điều khiển tuyến tính cho chất lượng bề mặt sau gia công Điều khiển mờ ta mang tính kinh điển Máy tính kiểm soát trực tiếp hoạt đông cấu chấp hành Để làm điều này, cách đơn giản hiệu thiết kế việc thực nhiệm vụ thời gian thực: mờ hóa , lập luật hợp thành mờ giải mờ Với trường hợp ta: VT= [∆ F ∆ 2F] ; uT=[∆ f ∆ s] (5-1) Trong đó, biến đầu vào gồm: sai lệch lực cắt (∆ F) biến thiên sai lệch lực cắt theo thời gian (∆ 2F), biến điều khiển tay lượng chay dao tốc độ quay trục mang dao (∆ f ∆ s xem phần trăm giá trò cài đặt ban đầu vào máy CNC) Tốc độ quay(s) lượng ăn dao(f) dùng cách đồng thời biến tác động chúng tạo đáp ứng hệ thống tức đònh hệ thống làm việc tốt hay không tốt, chúng làm tăng tốc độ cắt Chúng ta xét qui tắc hợp thành phát biểu nối vế trước vế sau cách hợp lý sau: IF ∆ F dương AND ∆ 2F dương THEN ∆ f dương lớn AND ∆ s âm lớn Đặc tính tónh điều khiển mờ theo cấp mô tả hình 5.3: GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 111 HÌNH 5.3 ĐẶC TÍNH TĨNH CỦA ĐIỀU KHIỂN MỜ PHÂN CẤP Trong input sai lệch lực cắt biến thiên sai lệch lực cắt theo thời gian, output thay đổi lượng ăn dao tốc độ quay Như thấy trên, đại lượng rời rạc hóa với số điểm rời rạc hữu hạn theo luật hợp thành có cấu trúc MIMO Đặc điểm khái niệm mờ mô đònh giống người tạo giá trò output mờ dựa nguyên tắc suy luận mơ.ø Qui tắc hợp thành Prod qui tắc hợp thành quan trọng nhất: A → B = A * B =R p , R=  Ri i =1 (5-2) Trong mệnh đề hợp thành ta có : Ri=Ai * Bi với i = p Ai Bi mệnh đề điều kiện mệnh đề kết luận ứng với mệnh đề hợp thành thứ i, p số mệnh đề hợp thành, Ri giá trò mờ ngõ có từ nguyên tắc hợp thành Prod cho mệnh đề thứ i Luật hợp thành dùng Sum-Prod cho kết xác Phương pháp giải mờ chọn phương pháp điểm trọng tâm: ∑µR ( ∆S I ) x ∆S I i ∆s = ∑µR ( ∆S I ) (5-3) ∑µR ( ∆f I ) x ∆f I i ∆f = ∑µR ( ∆f I ) (5-4) i i Trong ∆f ∆s giá trò rõ ∆fi ∆si ứng với giá trò rõ đầu vào ∆Fi , ∆Fi , µ R (∆fi) µ R(∆si) hàm phụ thuộc phù hợp với luật hợp thành R Sơ đồ hệ thống điều khiển mô tả hình 5.4 GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 112 Hình 5.4 Sơ đồ ứng dụng điều khiển mờ phân cấp Các giá trò tham khảo(s*) (f*) tạo trực tiếp từ điều khiển thực máy tính, máy tính thu thập giá trò thực giá trò lực cài đặt(Fr) giá trò lực đo được(F) Tại lần lấy mẫu thứ k, sai số lực cắt sai số ban đầu tính sau: ∆F(k) = Fr – F(k) (5-5) ∆ F(k) = ∆F(k) - ∆F(k-1) (5-6) Một hàm bù phi tuyến tạo sau điều khiển mờ theo cấp hoàn thành việc giải mờ, giá trò tuyệt đối sai số (/∆F/) dùng làm chuẩn Dạng hàm thí nghiệm cho dạng hàm khác cho kết tuyệt vời Việc dùng hàm bù làm độ xác tăng, đáp ứng hệ thống nhẹ nhàng Hàm mô tả sau: GC = K1/∆F(n)/ + K2 (5-7) Với K1, K2 số, n = 3k Tính hữu ích hàm bù tăng thêm nhờ kết giải mờ lần lấy mẫu (∆f(k), ∆s(k)), điều cho phép ta tính tác động sau áp dụng cho máy CNC ∆ f*(k) = GC ∆ f(k) (5-8) * ∆ s (k) = GC ∆ s(k) (5-9) * * Sau cùng, f s tính toán gởi đến máy CNC Nguyên tắc điều khiển dùng xác đònh công thức dùng để tính tác động cuối Ở ta dùng luật điều khiển PI: f*(k) = f(k-1) + ∆ f*(k) (5-10) * * s (k) = s(k-1) + ∆ s (k) Có nhiều phương pháp dùng kỹ thuật mờ để thay đổi đặc tính đồ thò sơ đồ thích nghi để kiểm soát lực cắt, tất nhà nghiên cứu lónh vực nhận thấy bất lợi thực tế: GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 113 Giá thành độ tin cậy cảm biến lực Cảm biến dòng đặt trục động minh cho khó khăn giá thấp Tính tưong thích với nhà sản xuất CNC Sơ đồ thích nghi tồn bất lợi: nhà sản xuất CNC có thuật toán, cấu trúc ngôn ngữ lập trình riêng , làm tăng tính phức tạp việc áp dụng giản đồ thích nghi Kỹ thuật điều khiển mờ theo cấp tương thích với hệ thống CNC-PLC, tạo đa dạng phong phú cho giản đồ mạch 5.6 Sự điều chỉnh tối ưu điều khiển mờ theo cấp Ở ta mô tả cách dùng hàm bù phi tuyến Để thực việc điều khiển mờ theo cấp, ta tiến hành thực nghiệm để xác đònh giá trò tối ưu K K2 Ba mươi dạng bề mặt thực K thay đổi từ 0,006 đến 0,04 K2 thay thay đổi từ 0,1 đến 0,8 Một mẩu phôi hợp kim nhôm dùng làm thí nghiệm bề mặt bất nguyên tắc chọn cách cố ý, với đoạn dốc bậc Dao phay chọn gồm răng, đường kính 25mm, dao hợp lý cho việc điềâu khiển lực cắt phức tạp Một giá trò tham chiếu (Fr = 450N) phù hợp cho điều khiển mờ suốt thời gian thực nghiệm, hai bề mặt sau có từ thí nghiệm thể hình Có cặp giá trò K1, K2 làm sai số thấp nhất: K1=0.01 K2=0,5, chúng dùng làm hệ số hàm bù Tính hệ thống điều khiển đánh giá theo khía cạnh sau: • Độ xác: tiêu chuẩn dùng để đánh giá độ xác điều khiển mờ theo cấp AAE(sai số tuyệt đối trung bình) MSE(saisố bình phương trung bình) Ta đánh giá AAE MSE chiề sâu trục nằm 1/3 1/2 đường kính dao, điều áp dụng với hợp kim nhôm Làm tối thiểu thông số bảo đảm lực cắt không đổi bất chấp tín hiệu nhiễu tốc độ cắt không đổi • Thời gian gia công: khoang thời gian xác đònh cho lần thực nghiệm Thông số nói lên khả tăng hiệu suất tức khả tạo nhiều sản phẩm khoảng thời gian • Sự đích tối đa: xác đònh độ lệch lớn (phần trăm giá trò lực cắt cài đặt) từ tín hiệu mong muốn suốt thời gian gia công, thông số cảnh báo vò trí nguy hiểm giá trò lớn cho phép đạt đến để không bò phá hủy thiếu ổn đònh hệ thống • Tính ổn đònh: ta cóthể xác đònh chất lượng đáp ứng độ dao động, yếu tố nguy hiểm cho chất lượng bề mặt gia công dụng cụ GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 114 Kết thực nghiệm mô tả hình 5.6 Hình 5.5 Sơ đồ MSE AAE ứng với giá trò K1 K2 Hình 5.6 Hình dạng phôi, lực cắt bề mặt sau gia công K1=0,01 K2=0,5 Hình 5.6A hình dạng ban đầu phôi, hình 5.6B đáp ứng lực cắt 5.6C hình dáng bề mặt sau gia công đoạn phôi ban đầu Khi chọn K1=0,01 K2=0,5: kết AAE =15,93N (3,54%) MSE =32,54N (7,23%) Thời gian gia công 53,8 giây, đích tối đa 13,81%, tương đương 512N, giá trò thuộc giới hạn cho phép dao Lần thực ta chọn hệ số mới: K1=0,01 K2=0,4 kết qủa thể hình 5.7 Hình 5.7 Hình dạng phôi, lực cắt bề mặt sau gia công K1=0,01 K2=0,4 Hình 5.7A bề mặt phôi ban đầu, hình 5.7B đáp ứng lực cắt, hình 5.7C hình dáng bề mặt sau gia công đoạn phôi Kết sau: AAE=9,76N(4,39%), MSE=47,13N(10,47%), thời gian gia công 55 giây, đích tối đa =14%(514N) 5.7 Tổng hợp kết luận đáng lưu ý: Như thấy rõ hình 6, lực cắt giữ cố đònh suốt thời gian gia công (quan sát rõ lực cắt từ 1/3 đến 1/2 đường kính dao) bất chấp tính phi tuyến tín hiệu nhiễu giai đoạn cuối trình phay, đoạn (nơi chiều sâu cắt chỏ 1/3 đường kính dao) giá trò cài đặt chưa đạt được.Tính điều khiển tuyệt vời kỹ thuật minh chứng đặc điểm sau: đáp ứng nhanh, sai số độ ổn đònh nhỏ (độ xác tốt nhất), thời gian GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 115 gia công giảm đáng kể Một cách độâng, thời gian đáp ứng hợp lý không lực cắt hợp lý mà đánh giá bề mặt phôi Những tính đạt cách đặt giá trò K1=,01 K2=0,5 vào hàm bù phi tuyến Nếu ta thay đổi hệ số chút: K1=0,01 K2=0,4 ta thấy tăng nhẹ thời gian gia công (3 giây) MSE Mặt khác, đáp ứng không nhẹ nhàng trường hợp trước, bề mặt sau gia công xuất hình Elip nhỏ, sai số độ ổn đònh cao Những kết qủa thực nghiệm cho thấy việc dùng hàm bù phi tuyến phương pháp đơn giản hiệu việc thực điều khiển mờ phân cấp, chí trình phức tạp (ví dụ trình phay), hàm bù phi tuyến dùng tìm hệ số tối ưu K K2 giúp làm tối thiểu AAE, MSE, đích thời gian gia công Những kết minh chứng cho tiềm kỹ thuật điều khiển mờ theo cấp áp dụng cho trình phay giai đoạn cuối Những thành công kỹ thuật điều khiển mờ theo cấp giúp người sử dụng nhà sản xuất có được: - Sự động, họ dễ dàng cài đặt điều khiển mờ theo cấp với giá thấp (ghép thiết bò đo lực gián tiếp vào bộ điều khiển mờ) trình phay giai đoạn cuối đạt được: - Một bề mặt tốt, ngăn cản phá hủy dao, tạo ổn đònh vận tốc cắt lớn Thành công bước đầu tạo điều kiện hướng tới áp dụng điều khiển mờ thích nghi cho máy phay đứng GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang 116 GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ [...].. .Ứng dụng FUZZY LOGIC trong gia công cơ khí Trang 11 Máy CNC thường được dẫn động bằng các động cơ tác động nhanh như động cơ bước, động cơ điện một chiều 4.4 CÁC CƠ CẤU PHỤ Trên máy CNC sử dụng nhiều cơ cấu phụ như: Cơ cấu thay dao tự động, cơ cấu bôi trơn, … GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC trong gia công cơ khí Trang 12 1 PHÂN TÍCH HỆ... PHẠM VŨ D 0 D I 0 D 0 D O 0 D 0 Ứng dụng FUZZY LOGIC trong gia công cơ khí Trang 24 Value D DI 14 I 1 5 B i t V a l u e D 7 D O 1 5 DI 13 DI 12 DI 11 DI 10 DI 9 D I 8 BASE +11 (write port) – D/I byte cao D D D D D 6 5 4 3 2 D 1 D 0 D O D O D O D O D O D O D O 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 9 GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC trong gia công cơ khí Trang 25 2.3.5 Các thanh ghi... động cơ trục x,y mà chúng được điều khiển bởi số lượng xung và tần số xung GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC trong gia công cơ khí Trang 17 2 GIAO TIẾP TÍNH SỬ MÁY DỤNG CARD PCLAB-818HD 2.1 GIỚI THIỆU PCLAB- 818HD là một card thu thập dữ liệu đa năng dùng ghép nối vào các máy vi tính tương thích IBM PC/XT/AT Card cung cấp 5 chức năng rất cần thiết cho việc ứng dụng. .. THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÀN THÍ NGHIỆM Động cơ x (hệ chuyển động theo trục x) Bộ chuyển phát (Driver) Xung điều khiển khiển Động cơ y (hệ chuyển động theo trục y) Vít me đai ốc bi Cơ cấu tác động Đối tượng điều khiển Card giao tiếp PCL-818HD Khối điều khiển Máy tính GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG Vít me đai ốc bi SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC trong gia công cơ khí Trang 15 1.3.1 Khối điều khiển Khối... thông số sau: 1 bước động cơ → 0,72o do đó: 500 bước động cơ ← 360o Số bước vít me của trục x và trục y là : px = 5mm, py = 4 mm ⇒ để động cơ quay sao cho trục x đi được 1 mm chiều dài thì số xung cần cấp cho động cơ là: 500.1 = 100(buoc) 5 Số xung trục cấp để cho trục y đi được 1 mm : GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC trong gia công cơ khí Trang 16 500.1 = 125(buoc)... cấu tạo rất cồng kềnh GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC trong gia công cơ khí Trang 13 Cuối thập niên 1970, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, các máy tính ngày càng nhỏ gọn hơn, tốc độ xử lí ngày càng nhanh hơn trong khi đó giá thành ngày càng hạ đã giúp cho việc ứng dụng máy tính trong điều khiển có hiệu quả kinh tế và hấp dẫn các nhà thiết kế hệ thống... Sơ đồ cấu trúc cơ bản của máy tính: Bộ nhớ dữ liệu Khối dữ liệu vào Đơn vò xử lí số học và logic (ALU) Khối xuất tín hiệu ra Chương trình Bộ xử lí trung tâm CPU có chức năng giám sát và điều khiển mọi hoạt động bên trong của máy tính bằng cách thực hiện tuần tự các lệnh đã được GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC trong gia công cơ khí Trang 14 lưu trữ trong bộ nhớ... dùng đến ngay trong xung clock kế tiếp GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC trong gia công cơ khí Trang 33 8 9 Nếu ngõ vào bộ đếm xuống mức thấp bộ đếm sẽ ngừng 2.4.2.5 Mode 5- Tạo xung cho phép cứng Bộ đếm bắt đầu đếm sau khi có kích cạnh lên ở ngõ trigger và xuống thấp trong một chu kì xung clock khi đếm đến giạt cuối Bộ đếm có thể được kích lại 2 5 SỬ DỤNG DRIVER... card: -5V hay -10V bên ngoài: tối đa ± 10 V + Độ tuyến tính: ± 0,5 bit + Dòng ngõ ra: tối đa ± 5 mA + Thời gian xác lập : 5µs GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC trong gia công cơ khí Trang 19 2.2.3 Ngõ nhập digital ( Digital Input ) + Số kênh : 16 bits + Mức logic: tương thích TTL + Điện áp ngõ vào: mức thấp : tối đa 0,8V mức cao : tối thiểu 2V + Dòng vào: mức thấp:... 1.1 SƠ LƯC VỀ SỬ DỤNG MÁY TÍNH TRONG ĐIỀU KHIỂN Máy tính được ứng dụng trong điều khiển từ những năm 1950 Các hãng chế tạo máy tính đã cố gắng ứng dụng những ưu điểm của nó vào việc điều khiển và đã đạt được những thành quả tương đối khả quan Tuy nhiên từ thời điểm đó cho đến cuối thập niên 1960 nhiều cố gắng ứng dụng máy tính vào sản xuất đã không thành công do ở thời điểm này phần cứng của máy tính ... Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang i TỔNG QUAN Trong thời đại khí hóa đại hóa ngày nay, công nghệ gia công cắt gọt vật liệu dùng rộng rãi sản xuất Do đó, tự động sản hóa sản xuất trình gia. .. sâu cắt,… Khi gia công GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang người thợ phải điều chỉnh tọa độ mũi dao gia công, chiều sâu cần gia công tay mắt... xuất trình gia công vấn đề có ý nghóa to lớn hoàn toàn GVHD: ĐOÀN THẾ THẢO TRUNG_VŨĐỨCQUANG SVTH: PHẠM VŨ Ứng dụng FUZZY LOGIC gia công khí Trang đáng Sự phát triển công nghệ gia công CNC năm gần